13-800-3000型隔膜壓縮機膜片損壞原因及解決方案

萬本軍， 王 敏， 陳功偉， 陸廷雷

(普萊克斯〔廣州〕工業氣體有限公司 廣東廣州 510700)

普萊克斯(廣州)工業氣體有限公司瀚陽氫氣工廠(以下簡稱瀚陽氫氣工廠)主要的生產工藝是裂解甲醇制備高純氫氣，氫氣產品一部分通過管道輸送至瀚陽鋼鐵廠，富余的氫氣經壓縮機加壓至20 MPa后由魚雷車運輸至各加氫站。瀚陽氫氣工廠采用的壓縮機為美國賓夕法尼亞動力咨詢公司生產的13-800-3000型兩級臥式隔膜壓縮機。在運行過程中，該隔膜壓縮機多次出現級間壓力高的現象，壓縮機出口背壓超過15 MPa時，級間壓力就會快速上升。

1 隔膜壓縮機簡介

因隔膜壓縮機具有污染低、壓縮比高、密封性能好以及設備運行可靠性高等特點，國內外的制氫工廠或氫氣充裝站一般都采用隔膜壓縮機進行加壓和充裝。隔膜壓縮機由液壓系統和氣體壓縮系統組成，通過活塞的往復運動，推動膜片向氣體側運動，從而壓縮氣體，將氣體排出。液壓系統由皮帶驅動的曲軸、連桿、活塞、潤滑主油泵、液壓油注射泵和油壓控制閥、液壓油單向閥等組成，通過液壓油注射泵補充液壓油，保證在整個運行過程中液壓系統充滿潤滑油。在壓縮過程中，液壓油單向閥把液壓油和補充油隔離，避免液壓油回流。油壓控制閥控制液壓釋放壓力，從而形成液壓油系統壓力。

當活塞處于近止點時，液壓系統通過液壓油注射泵注滿液壓油，氣體在進口壓力作用下打開進氣單向閥，進入隔膜腔；活塞推動液壓油，再由液壓油推動膜片向缸頭運動，膜片對氣體加壓，當壓力高于出口單向閥背壓時，氣體排出，膜片繼續向缸頭移動；當膜片運行至缸體端，活塞繼續運行到遠止點，液壓油通過油壓控制閥返回曲軸箱，通常液壓油的壓力設定值比排氣壓力高1.10～1.15倍；當活塞到達遠止點往回運動時，余隙氣體和吸入氣體推動膜片向曲軸箱側移動，完成整個循環。隔膜壓縮機結構簡圖見圖1。

2 機組的運行模式

制氫裝置采用的是同型號的2臺隔膜壓縮機并聯運行，工藝流程簡圖見圖2。

機組于2017年投入運行。在2017—2020年，由于市場原因，裝置負荷較低，2臺壓縮機處于1開1備狀態，且大部分時間2臺壓縮機都處于停運狀態。從2020年7月開始，氫氣市場回暖，裝置滿負荷生產，2臺壓縮機實現長周期連續運行。

3 故障情況

2020年9月，1#壓縮機在運行過程中出現一級出口緩沖罐壓力超壓報警，機組停車。檢查機組運行過程中的壓力曲線，發現當二級出口背壓高于15 MPa時，一級出口緩沖罐的壓力快速上漲。對比同型號同運行狀態的2#壓縮機，其一級出口緩沖罐壓力上漲較慢。

4 故障處理

檢查油噴射泵，發現其彈簧完好，活塞有輕微的磨損，與庫存備件相比，徑向和端部均有約0.2 mm的磨損。更換了活塞和彈簧，并重新調整了油噴射泵的安裝尺寸，以確保油噴射量在最大位置。同時對油系統的單向閥進行檢查，未發現異常。在檢查膜片泄漏檢測罐時發現有液壓油，決定對二級缸頭進行拆檢，檢查二級膜片。

拆檢二級缸頭后發現膜片破損嚴重，油側膜片有寬2～3 mm、長約10 mm的破損口，氣側膜片和中間膜片也存在整圈疲勞區，寬度為2～3 mm。檢查二級進排氣閥，未發現異常。本次檢修更換了相關膜片以及相應的O形圈。

檢修結束后，機組恢復開車。在運行過程中，機組背壓高于15 MPa時一級出口緩沖罐壓力仍然快速上漲，充裝背壓達到目標充裝壓力18.5 MPa時一級出口緩沖罐壓力值略低于報警值，機組故障未得到有效解決，機組帶病運行。

2020年10月13日，現場對機組進行巡檢時再次發現液壓油從膜片泄漏檢測罐內排出，可能二級膜片發生損壞，機組停車檢修。機組拆檢后發現，二級膜片再次損壞，且情況與上次相同，3層膜片均出現了環狀疲勞。比較后發現，發生疲勞的環狀區域與配油盤和背板之間的間隙一致，推測膜片與配油盤發生了碰撞，從而導致膜片疲勞損壞。

分析膜片與配油盤發生碰撞的原因，初步判定油壓控制閥壓力設置偏低或油壓控制閥內漏。決定更換膜片及相應的O形圈，機組開車過程中對液壓油壓力控制閥進行調校。調校時發現油壓控制閥的壓力比廠家推薦的設定壓力約低1 380 kPa，且油壓控制閥釋放壓力約有138 kPa的波動。

調校完成后，機組恢復正常開車，在運行過程中仍存在機組背壓高于15 MPa時一級出口緩沖罐壓力快速上漲，充裝背壓達到目標充裝壓力18.5 MPa時一級出口緩沖罐壓力值略低于報警值的情況，機組故障仍未得到有效解決。

2020年11月4日，再次發現機組的液壓油泄漏緩沖罐內有液壓油排出，確定二級膜片再次損壞，機組停車檢修，拆檢后發現膜片損壞情況與前兩次相同。

拆開活塞組件檢查后發現，二級活塞部件的活塞環、支撐環嚴重損壞，活塞冷卻夾套內發現了較多的雜質和污垢。

對二級冷卻夾套進行清洗，更換活塞環、支撐環以及相應的膜片和O形圈后，機組投入運行，相關運行參數平穩，一級緩沖罐壓力與同型號同工況的2#壓縮機相近。從2020年11月開車以來，已正常運行5個月，未發生異常和膜片損壞，機組故障徹底解決。

5 故障原因分析

裝置投入運行前，未對循環水管進行徹底的酸洗和水洗；裝置投運后，冷卻水管內的雜質進入壓縮機的冷卻水夾套，使得機組活塞部件未得到有效的冷卻。因活塞環材質為聚四氟乙烯(PTFE)，支撐環材質為聚四氟乙烯聚合物(RULON)，較高的溫度使得活塞環和支撐環快速損壞。當活塞環發生損壞后，在壓縮過程中，液壓油從活塞環處快速泄漏。由于活塞環處的泄漏量遠大于油增壓泵的補油量，在背壓較高時活塞回程過程中液壓腔內的液壓油不足，高壓氣體推動膜片撞擊配油盤，多次撞擊后導致膜片疲勞損壞。

6 結語

通過對冷卻水系統進行清洗，同時更換活塞環和支撐環，解決了壓縮機膜片頻繁損壞的問題。故障出現的根本原因是在裝置投入運行前，未對冷卻水管道進行徹底的酸洗和水洗，造成運行過程中雜質留在機組內部，影響活塞環的使用壽命。